Die Aggregatzustände

Es ist allgemein bekannt, dass die Materie aus Atomen oder Molekülen aufgebaut ist. Die Stoffe können jedoch in unterschiedlichen Erscheinungsformen vorliegen. Denken wir beispielsweise an Wasser, das immer aus H₂O-Molekülen besteht. Hier gibt es eine feste (Eis), eine flüssige (Wasser) und eine gasförmige Phase (Wasserdampf). Man bezeichnet dies auch als den festen, den flüssigen und den gasförmigen Aggregatzustand.

Die Ursache hierfür ist in der Wechselwirkung der Bausteine der Materie, also der Moleküle bzw. Atome, untereinander zu suchen: Diese befinden sich in ständiger unregelmäßiger Bewegung, deren Intensität von der Temperatur abhängt. Diese wird daher auch thermische Bewegung genannt. Ein deutliches Indiz für die thermische Bewegung der Moleküle ist die Brownsche Molekularbewegung. Wir werden hierauf später genauer eingehen.

Zwischen den Molekülen eines Stoffes wirken andererseits anziehende Kräfte, die als Bindungskräfte oder Molekularkräfte bezeichnet werden. Die thermische Bewegung wirkt den Bindungskräften entgegen. Abhängig vom Verhältnis von Bindungsenergie zu thermischer Energie finden wir die unterschiedlichen Erscheinungsformen der Materie: Wir unterscheiden den festen, den flüssigen und den gasförmigen Aggregatzustand. Jeder der drei Aggregatzustände hat eine besondere innere Struktur, die seine Eigenschaften wesentlich bestimmt.

Ändert sich die Intensität der thermischen Bewegung der Moleküle eines Stoffes, so ändert sich auch das Verhältnis zwischen Bindungsenergie und thermischer Energie. Als Folge kann ein Stoff seinen Aggregatzustand ändern. Man bezeichnet dies als Phasenübergang.

Phasenübergänge

Im festen Körper schwingen alle Atome um ihre Gleichgewichtslagen im Kristallgitter. Wird nun die thermische Energie erhöht, so werden die Schwingungen immer stärker bis schließlich die Schmelztemperatur erreicht ist. Wird jetzt weiterhin Energie zugeführt, so wird diese zum Aufbrechen der Kristallbindungen verwendet: Der regelmäßige Aufbau des Kristallgitters wird zerstört, der Körper schmilzt und wird zur Flüssigkeit. Während dieses Prozesses bleibt die Temperatur konstant. Man nennt dies einen Phasenübergang.

Jeder kennt die Phasenübergänge des Wassers aus dem Alltag: Wenn wir festes Eis erwärmen, so schmilzt es und wird zu flüssigem Wasser. Dies ist der Phasenübergang fest-flüssig. Erhitzen wir das Wasser weiter, verdampft es schließlich und wir erhalten als Resultat des Phasenübergangs flüssig-gasförmig den gasförmigen Wasserdampf. Weniger bekannt ist, dass Eis sich auch direkt in den gasförmigen Zustand umwandeln kann. Diese als Sublimation bezeichnete Phasenumwandlung kann aber z. B. an trockenen Wintertagen häufig beobachtet werden.

Mögliche Phasenübergänge

Natürlich kann man den Prozess auch umkehren: Wasserdampf kann zu Wasser kondensieren das wiederum zu Eis erstarren kann. In der Graphik sind alle möglichen Phasenübergänge zusammengefasst. Sie gelten natürlich nicht nur für Wasser, sondern genauso für jeden anderen Stoff.

Anmerkung: Phasenübergänge werden ausführlich der SLE "Phasenübergänge" behandelt.